计算机网络

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物理层

基本任务

• 确定与传输媒体的接口有关的一些特性

• 特性

  • 机械特性

    • 知名接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等

  • 电气特性

    • 指明接口电缆各条线上出现的电压范围

  • 功能特性

    • 指明接口电缆各条线上出现电压的意义

  • 过程特性

    • 对于不同功能的各种可能事件出现的顺序

引入

• 数据在通信电路上通常为串行传输

• 物理层要将主机中并行传输的数据转换为串行传输

• 连接方式

  • 点对点(PPP)
  • 多点连接
  • 广播连接

• 传输媒体(通信线路)

  • 架空明线
  • 双绞线
  • 对称电缆
  • 同轴电缆
  • 光缆

• 码元

  • 使用时间域内的波形(波形函数的一个周期)
  • 使一个码元携带更多比特的信息量，可以借此提高信息的传输速率
  • 可以通过码元波形的不同，判断其携带的比特流信息
  • 通过对码元波形的细分，使得一个码元携带更多的信息

数据通信系统的模型

• 源系统

  • 源点

    • 产生传输的数据

  • 发送器

    • 将产生的数据编码后发送给接收器
    • 调制器

  • 接收器

    • 将收到的数据解码后发送给接收端

  • 终点

• 通信目的为发送数据

• 信号

  • 模拟信号(连续信号)
  • 数字信号(离散信号)

信道

• 交互方式

  • 单向通信(单工通信)

    • 单方向通信

  • 双向交替通信(半双工通信)

    • 双方不可同时发送消息

  • 双向同时通信(全双工通信)

    • 双方可同时发送信息

  • 只有单向通信只需要一条信道

• 极限容量

  • 信道能够通过的频率范围

    • (码间串扰)接收端收到的信号波形数去码元之间的清晰界限

    • 奈氏准则

      • 1924年奈奎斯特推导出
      • 任何信道中，码元的传输速率有限，超过后就会出现严重的码间串扰
      • 信道频带越宽，就可以用更高的速率传送码元

  • 信噪比

    • 信号平均功率和噪声的平均功率之比(S/N)

    • 香农公式

      • 1948年，信息论创始人香农推导出香农公式

      • 指出信道的极限信息传输速率

      • C = B * log2(1 + S/N)

        • C:极限速率
        • B:信道带宽
        • S:信道内所传信号的平均速率
        • N:信道内部的高斯噪音功率
        • log以2为底

      • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高

      • 只要信息传输速率低于信道极限传输速率，就一定存在办法实现无差错传输

• 传输媒体

  • 又称传输介质，传输媒介

  • 引导型传输媒体

    • 沿着固体媒体传播

    • 双绞线

      • 又称双扭线
      • 两根按照一定规则绞合的相互绝缘的铜导线
      • 绞合可减少对相邻导线的电磁干扰
      • 通信距离一般为几到几十公里
      • 可通过增加放大器放大衰弱的信号
      • 加上中继器对失真信号整形
      • 通过在双绞线外添加金属网提高其抗干扰能力
      • 粗导线可降低衰弱
      • 衰弱随频率的升高而增加
      • 振幅最高，抗干扰能力越强

    • 同轴电缆

      • 广泛应用于传输较高速率的数据
      • 带宽取决于电缆质量
      • 外层有防护层，抗干扰能力强

    • 光缆

      • 利用光导纤维传递光脉冲进行通信

      • 允许存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输的称为多模光纤

      • 多模光纤只适用于近距离传输

      • 不会产生反射的光纤称为单模光纤

      • 优点

        • 传输损耗小
        • 远距离传输经济
        • 抗雷电和电磁干扰能力强
        • 无传音干扰
        • 保密性强
        • 体积小，重量轻
        • 通信容量大

    • 架空明线

      • 铁线或铜线
      • 安装简单
      • 通信质量差
      • 受气候环境影响大
      • 国家已禁止

  • 非引导型传输媒体

    • 自由空间内传播

    • 无线信道

      • 波段

        • LF

          • 低频
          • 30khz~300khz

        • MF

          • 中频
          • 300khz~3MHz

        • HF

          • 高频
          • 3MHz~30MHz

        • V

          • 甚高频
          • 30MHz~300MHz

        • U

          • 特高频
          • 300MHz~3GHz

        • S

          • 超高频
          • 3GHz~30GHz

        • E

          • 极高频
          • 30GHz~3000GHz

        • T

          • Tremendously

      • 短波通信

        • 依靠电离层反射实现
        • 通信质量差
        • 一般速度较慢

      • 无线电微波

        • 300MHz_300GHz(1m1mm)

        • 主要使用2~40GHz的频率范围

        • 直线传播

        • 主要方式

          • 地面微波接力通信

            • 通过地面众多的接力站和中继站传递数据

            • 优点

              • 使用的频率高，频段范围广
              • 工业和天电产生的干扰比微波通信使用的频率低得多，所以通信质量较高
              • 相对于电缆，其建设投资少，见效快
              • 通信容量大

            • 缺点

              • 受恶劣天气影响
              • 相邻接力站之间必须直视
              • 与电缆相比，隐蔽性和保密性差
              • 大量的中继站和接力站需要更多的人力

          • 卫星通信

            • 通过卫星传递信息

            • 特点

              • 通信距离远
              • 频道宽，容量大
              • 较大的传播时延

• 信道复用

  • 发送端使用复用器，让多用户共享一个信道，然后接收端使用分用器把合起来传输的数据分别送到相对应的终点

  • 频分复用

    • 所有用户在通信时间内占用不同的带宽资源(通信频带)
    • 通信的总带宽随着用户数量的增加而变宽

  • 时分复用

    • (同步)时分复用

      • 将时间划分成一段段等长的时分复用帧(TDM)
      • 所用用户在不同的时间占用相同的频带宽度
      • 参与复用的永不并不是时刻都有数据需要传输，导致信道利用率降低

    • 统计(异步)时分复用

      • 使用集中器，将数据集中后发送

      • 相对会产生额外数据开销(每个数据段必须携带用户信息)

      • 当所有用户传输超量数据，集中器会崩溃(缓存溢出)

      • 智能集中器

        • 报文的存储转发
        • 路由选择
        • 数据压缩
        • 前向纠错

    • 利于数字信号的传输

  • 波分复用(WDM)

    • 光的频分复用

    • 密集波分复用(DWDM)

      • 一根光纤服用多路光载波信号

  • 码分复用(CDM)

    • 码分多址(CDMA)

    • 用户可同时使用相同频带传输数据

    • 抗干扰能力强

    • 通过提高频带宽度，实现数据的糅合发送

      • 原本只能发送1，-1的信道，扩充后可以发送1，2，-1，-2…
      • 可以通过带通调制实现

    • 每个站点的码片序列(伪随机码序列)必须不同且相互正交

    • 利用全球GPS系统解决同步问题

    • 相关计算

调制

• 存在原因

  • 发送的数据中存在许多信道不能正常传输的低频分量或直流分量

• 基带调制(编码)

  • 仅进行波形转换，转换后仍是基带信号

• 带通调制

  • 使用载波进行调制

  • 频率范围搬移至较高频段

  • 转换为模拟信号

  • 转换后称为带通信号

  • 方法

    • 调幅

      • 振幅调整

    • 调频

      • 频率调整

    • 调相

      • 初始相位调整

    • 正交振幅调制

      • 为了更高的信息传输速率
      • 振幅相位混合调制

编码

• 不归零

• 归零

• 曼切斯特编码

  • 周期中心上跳为0，反之则异

• 差分曼切斯特编码

  • 开始边界有变为为0，反之则异

数字传输系统

• 缺点

  • 速率标准不同

  • 不是同步传输

  • 解决办法

    • 同步光纤网

      • 1988年美国推出的数字传输标准
      • 使用铯原子钟解决同步问题
      • 制定出国际标准的同步数字系列

带宽接入技术

• 有线宽带接入技术

  • ADSL技术

    • 非对称数字用户线技术

    • 对现有电话线进行改造，使其承受贷款数字业务

    • 非对称

      • 上行

        • 主机向互联网发送数据

      • 下行

        • 用户下载互联网上的资源

      • 上行带宽一般远小于下行带宽

    • 传输距离取决于数据率和用户线的线径

    • 基于ADSL的接入网

      • 数字用户线接入复用器

        • ADSL调制解调器(接入端接单元ATU)

          • 我国采用离散多音调(DMT)调制技术

          • 成对使用

            • 用户端(ATU-R)–端局
            • 电话局端(ATU-C)—远端

      • 电话分离器

      • 电话线

      • 通信模型

    • 可以利用原有用户电话线

    • 第二代改进

      • 通过提高调制频率提高数据率
      • 采用无缝速率自适应技术
      • 改善线路评测和故障定位功能

    • 变形

      • 对称DSL

        • 上下行两个方向平分带宽

      ---

  • 光纤同轴混合网(HFC网)

  • FTTx技术

• 无线宽带接入技术

  ---

数据链路层

引入

• 属于计算机网络底层

• 信道类型

  • 点对点信道

    • PPP协议

  • 广播信道

    • 需使用专用的共享协议协调这些主机的数据发送
    • CSMA/CD协议

• 研究问题

  • 同一局域网中，分组如何在主机间传送(不经过路由器转发)

  • 基本问题

    • 封装成帧
    • 透明传输
    • 差错检测

• 以太网MAC层的硬件地址

• 适配器，转发器，集线器，网桥，以太网交换机的作用和使用场合

补充

• 协议<=>规程

• 功能

  • 将网络层交下来的IP数据报添加首尾信息并封装成帧
  • 将封装好的帧通过物理层发送给指定主机
  • 对收到的帧进行检错，确认无差错后提取IP数据报上交给网络层

• 基本问题

  • 封装成帧

    • 给IP数据报添加首尾(进行帧定界)
    • 首尾还包括相关控制信息
    • 数据链路层每种协议都会规定帧首尾的格式，以及数据部分的长度上限
    • 最大传送单元(MTU)
    • 帧定界符

  • 透明传输

    • 数据中不允许存在与定界符一致的比特编码

    • 解决办法

      • 字节填充(字符填充)

        • 使用转义字符

  • 差错检测

    • 比特差错

      • 数据中0变1，1变0

      • 误码率

      • 解决

        • 循环冗余检验(CRC)

          • 相关计算

    • 帧丢失，帧重复，帧失序

      • 帧编号，确认和重传机制(CRC)
      • 通信良好的传输链路不使用重传机制，出现错误时由上层处理—提高通信效率

  • 接收端数据链路层接受的帧都没有差错(有差错的不算做接受的帧)

点对点信道

• 数据链路

  • 由必要的通信协议控制的数据传输和物理链路组成

  • 协议实现

    • 网络适配器(网卡)

• 帧

  • 数据链路层的协议数据单元

• 点对点协议PPP

  • 用户计算机和ISP通信时数据链路层所使用的协议

  • 接受帧并进行CRC检验

  • 要求

    • 简单

    • 封装成帧

      • 规定帧定界符

    • 透明性

      • 数据传输的透明性

    • 多种网络协议

      • 在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议

    • 多种类型链路

      • 能够在多种链路上运行

    • 差错检测

    • 检测连接状态

    • 最大传输单元

      • 对每种点对点链路设置最大传输单元(MTU)

    • 网络层地址协商

    • 数据压缩协商

  • 组成

    • 将IP数据报封装到串行链路的方法
    • 用来建立，配置和测试数据链路连接的链路控制协议(LCP)
    • 网络控制协议(NCP)

  • 帧格式

    • 字段意义

      • 首部

        • 第一个字段

          • 标识

        • 第二个字段

          • 地址字段

        • 第三个字段

          • 控制字段

      • 中间

        • IP数据报

      • 尾部

        • 前两个字节

          • FCS检验序列

        • 最后一个

          • 标识

    • 字节填充

      • 将数据中每一个和标识字段一致的比特转换为其他比特

      • 异步传输

        • 字节填充—RFC1662

          • 0x7E->0x7D,0x5E

          • 0x7D->0x7D,0x5D

          • 编码小于0x20

            • 0xmm->0x7D,0x(m + 2)m[mm小于20(mm为16进制数)]

    • 零比特填充

      • 同步传输

        • SONET/SDH

      • eg:发现连续5个1后，在其后添加一个0，反之一样

      • 补充

        • 因为bit填充只对数据链路层以下层可见(接收方的数据链路层在发现零比特填充数据时会复原，所有相当于双方的网络层之间发送和接受的数据都是原数据)，所以不会对上层的数据分析产生并发问题

• PPP协议工作状态

  • 链路初始化

    • 用户拨号后，建立一条物理链路(用户到ISP)，用户向ISP发送LCP分组(为了建立LCP连接)，NCP(网络控制协议)给新接入用户分配临时IP地址

  • 通信结束

    • NCP释放网络层连接，并收回临时IP地址，之后数据链路层释放，最后物理层释放

  • LCP(数据链路层)

    • 配置选项(配置请求帧)

      • 最大帧长

      • 鉴别协议

        • 此状态只允许传送LCP协议分组，鉴别协议分组，检测链路质量的分组
        • 鉴别成功后进入”网络层协议“

      • 链路另一端的响应

        • 配置否认帧
        • 配置确认帧
        • 配置拒绝帧

  • NCP(网络层)

    • 根据网络层的协议交换网络控制分组
    • PPP协议两端的网络层可以运行并使用不同的网络层协议

使用广播信道的数据链路层

• 局域网的数据链路层

  • 局域网

    • 网络为一个单位所有，地理范围和站点数目均有限

    • 优点

      • 可以广播
      • 便于系统的扩展和逐渐演变
      • 提高系统的可靠性，可用性，生存性

    • 分类

      • 网络拓扑

        • 星形网
        • 环形网
        • 总线网

    • 共享信道

      • 静态划分信道

        • 用户分配到信道后便不会和其它用户产生冲突

        • eg

          • 频分复用
          • 时分复用
          • 波分复用
          • 码分复用

      • 动态媒体接入控制(多点接入)

        • 随机接入

          • 所用用户都可随时发送消息，但需要解决信息"碰撞(冲突)"问题(使用相关协议)

        • 受控接入

          • 用户发送消息需要服从一定的控制

  • 以太网标准

    • 引入

      • 1975年美国施乐(Xerox)的Palo Alto研究中心(PARC)研制成功

    • 以太网发送数据都使用曼彻斯特编码

    • 帧的最小间隔

      • 9.6us
      • 为接受站清理接受缓存(并准备接受下一个帧)而存在

    • 在帧发送过后，该帧会保留一段时间，以便重新发送(需要的话)

  • 适配器

    • 网络接口卡(NIC)[网卡]
    • 进行数据串行传输和并行传输的转换
    • 适配器所实现的功能包括物理层和数据链路层
    • 不使用主机的CPU便可处理相关任务

• 无连接通信

  • 无需建立连接便可发送数据
  • 适配器对发送的数据帧不进行编号，不要求接收方发回确认
  • 工作简单，出错率降低
  • 提供的服务是尽最大努力的交付(不可靠交付)

• CSMA/CD协议

  • 载波监听多点接入/碰撞检测

  • 多点接入

    • 总线型网络特征

  • 载波监听

    • 检测总线上是否有数据正在传输
    • 无论发送前还是发送中，都需要检测
    • 目的是及时发现是否发生碰撞

  • 碰撞检测(基于10Mbps网络，且使用CSMA/CD协议)

    • 边发送边监听

    • 适配器检测信道上信号电压的变化情况，发生碰撞时信道上会出现电压变化幅度增大的现象

    • 发现碰撞后适配器立即停止检测帧发送，之后等待一段时间(长短随机)后再次发送

    • 单程端到端的传播时延(tao)

    • 适配器最多经过两(tao)的时间便可以判断是否发生碰撞

    • 碰撞退避

      • 截断二进制指数退避

      • 相关计算

        • 首先计算链路间的传播时延，去其特定整数倍为退避时间

    • 最短帧长

      • 64字节(512bit)
      • 必须保证争用期发送端有持续发送的数据，以防止产生发送方无法检测到的碰撞

    • 强化碰撞

      • 发送端检测到碰撞后，人工发送32bit或48bit的干扰信号，以便所有用户了解信道内发生了碰撞

    • 为了保证碰撞的检测和最短帧长的有效性，此种情况下的网络最大连接距离不超过2500米(不符合的需要重新定义最短帧长，以保证碰撞可检测)

    • 长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧

    • 补充

      • 对于使用CSMA/CD协议的其他速率网络，需要按照相关计算公式重新获取最短帧长

      • 最短帧长

        • 网络传播速率乘以传播时延

        • 传播时延

          • 站点最大连接距离除以介质传播速率(铜截至中的传播速率为200m/μs)

  • 使用该协议时，只能进行双向交替通信(半双工通信)

• 使用集线器的星形拓扑

  • 1990年IEEE制定了星形以太网(10BASE-T)的标准(802.3i)

  • 局域网发展史上的里程碑

  • 逻辑上依然是总线网结构，不过因为集线器(封装了复杂的电路逻辑)的使用，使得其更加方便

  • 集线器

    • 工作在物理层
    • 采用芯片进行自适应传音回波抵消
    • 拥有少量容错能力和网络管理能力
    • 网络中个别集线器的故障不会影响真个网络的稳定运行

• 信道利用率

  • 成功发送一个帧占用信道的时间为T+(tao)

  • α = (tao)/T

    • α

      • 趋向0

        • 检测时间短(tao小)，信道利用率高

      • 较大

        • (tao)大，争用期长，信道利用率低

    • T

      • 受发送帧长影响

    • (tao)

      • 受以太网连线长度影响

  • 信道极限利用率(S)

    • S = 1/（1+ α）
    • 只有参数α远小于1时才能获取尽可能高的极限信道利用率

• 以太网的MAC层

  • MAC层硬件地址

    • 别称"物理地址"，“MAC地址”

    • 标识系统

      • 名字指出资源
      • 地址指出资源所在地
      • 路由告诉我们如何到达资源所在地
      • 适配器决定主机在局域网中的地址
      • 拥有多个适配器的设备在局域网中同时拥有多个地址

    • 适配器

      • 至少可以识别单播帧和广播帧

      • 混杂工作

        • 用于"窃听"信道上传输的数据

    • MAC帧格式

      • 以太网V2

        • MAC帧格式

          • 第一字段

            • 目的地址

              • 共6字节

          • 第二字段

            • 源地址

              • 共6字节

          • 第三字段

            • 类型字段

              • 标志上一层所使用协议类型

              • 0x0800

                • IP协议

              • 0x8137

                • 由NovellIPX发送

              • 共2字节

          • 第四字段

            • 发送数据(网络层总长度)

              • 共46~1500字节

          • 第五字段

            • 帧检验序列FCS(CRC检测)

              • 共四字节

        • 实际传输时，传输媒体会在帧前方添加8个字节的数据

          • 前七个字节

            • 前同步码

          • 最后一个字节

            • 帧定界符

              • 最后两位二进制数为11时，为提醒适配器接受即将到来的帧

        • 以太网传输帧不需要帧结束定界符，不需要考虑透明传输

      • 无效MAC帧

        • 长度不是整数字节
        • 使用FCS检测到出错
        • 帧的数据长度不在46~1500字节之间

      • 补充

        • IEEE802.3规定MAC帧的第三字段为"长度/类型"，当字段值大于0x0600时，与以太网V2的MAC帧无差，小于时，IEEE802.3表示数据长度，若长度不符合为无效帧，并且数据字段必须装入上边的逻辑链路控制的LLC子层的LLC帧

        • 实际传输最大帧长

          • 1526字节
          • 当为最大帧长时，通信独占通道高达50ms左右，严重影响其他主机的通信

• 以太网扩展

  • 集线器(交换机/网桥)的的使用

    • 使所有连接在集线器上的网络可以相互通信

    • 网络上的碰撞域扩大，影响整体的数据传输速度，

    • 互相通信的主机独占传输媒体(集线器)，以此实现无碰撞传输数据

    • 自学习能力

      • 根据通过交换机的数据更新交换表中的MAC地址和相对应的接口

  • 虚拟局域网

    • 主要通过链路操作的控制，完成逻辑上的用户独占通信道路

100BASE-T以太网

• 双绞线传输
• 100Mbit/s基带信号
• 使用IEEE802.3的CSMA/CD协议
• 快速以太网

吉比特以太网

• 有双工半双工两种通信方式

10吉比特以太网

• 只工作在双工的通信方式下

网络层

网络层提供的服务

• 虚电路服务

  • 面向连接
  • 网络提供可靠交付
  • 仅在连接建立阶段的分组使用完整的目的地址
  • 分组按顺序到达终点
  • 差错处理可以由网络负责，也可以由主机负责

• 数据报服务

  • 面向无连接
  • 主机提供可靠交付
  • 所有的分组均含有完整的目的地址
  • 分组到达目的地址的顺序不确定
  • 差错处理由主机负责

网际协议IP

• 又称Kahn-Cerf协议

• 配套使用协议

  • 地址解析协议(ARP)

    • 通过IP地址映射出目的主句的物理地址

  • 网际控制报文协议(ICMP)

  • 网际组管理协议(IGMP)

  • (逆地址解析协议(RARP))

• 虚拟互联网络

  • 网络的中间设备

    • 物理层

      • 转发器

    • 数据链路层

      • 网桥(桥接器)

    • 网络层

      • 路由器(有文献将该层的中间设备也称为网关)

    • 网络层以上

      • 网关

    • tip

      • 使用网络层以及其上层的中间设备扩展的网络不称为网络互连

  • 数据传输

    • 路由器查找转发表，之后根据查询结果发送数据

      • 若目的IP在本网络，则直接交付
      • 若目的IP不在本网络，则将数据发送给通过转发表查到的目的路由

• 分类IP地址

  • IP地址编址

    • 分类IP地址

      • A类地址

        • 8bit表示网络号

        • 第一位固定为0

        • 1~127

        • 网络数

          • 127

        • 主机数

          • 2的24次方-2

      • B类地址

        • 16bit表示网络号

        • 前两位固定为10

        • 128.0~191.255

        • 网络数

          • 2的14次方

        • 主机数

          • 2的16次方-2

      • C类地址

        • 24bit表示网络号

        • 前三位固定为110

        • 192.0.0~223.255.255

        • 网络数

          • 2的21次方

        • 主机数

          • 2的8次方-2

      • D类地址

        • 前四位固定：1110
        • 多播地址

      • E类地址

        • 保留
        • 前5位固定：11110

      • tip

        • 127.0.0.1为本机环回测试
        • 每个IP地址都由网络号，主机号两部分组成
        • IP地址管理机构只负责网络号的分配
        • 路由器只通过IP地址转发分组

    • 子网的划分

      ---

    • 构成超网

      ---

• IP地址与硬件地址

  • 物理地址在数据链路层和物理层使用，IP地址是网络以及其上层使用的逻辑地址
  • IP地址放在IP数据包的首部
  • 每经过一个路由器MAC帧的首尾部都会重新添加，并且会根据下一跳的路由物理地址更新MAC帧首部的相关地址信息

• ARP

  • 根据IP数据报首部的IP地址映射出物理地址

  • ARP高速缓存

    • 用于存储物理地址和IP地址的映射表

  • 数据发送

    • 1：MAC帧被"拆包"，获取IP数据报中的目的地址

    • 2：路由器通过映射表中的映射关系以及目的IP地址获得物理地址，并将物理地址和IP数据包重新封装成MAC帧发送给下一个路由器

    • 若路由中的ARP高速缓存中没有映射表(刚入网/刚通电)，源主机广播发布ARP请求分组，只有符合信息的主机会理睬该信息并回应，同时双方更新映射表

      • ARP请求分组

        • 信息包含源主机的IP地址和物理地址，也包括目的主机的IP地址

        • 目的主机回应

          • 包括目的主机的物理地址和IP地址

      • 映射表更新

        • 抛弃过时映射
        • 更新映射

• IP数据包格式

  • 首部

    • 固定部分

      • 共20个字节，160个bit位

    • 可变部分

      • 增加了IP数据报的功能，但同时也增加了开销

    • 格式

      • 子主题 1

• IP数据报分组转发流程

  • 默认消息来自路由器

  • 路由表格式

  • 1：若目的主机在直接相连的网络内中存在，则直接交付

  • 2：若目的网络不在直接相连的网络内，则查看路由表，表中若存在目的地址所在的路由地址，则根据表中下一跳地址转发

  • 补充

    • 特定主机路由

      • 对特定的目的主机指定路由，一般用于网络测试

    • 默认路由

      • 当路由表中不存在目的地址中的网络号时，则选择默认路由转发数据

划分子网和构造超网

• 划分子网

  • 两级IP到三级IP

    • 两级IP

      • 传统的IP地址，即网络号+主机号

      • 特点

        • 利用率低
        • 路由表太长
        • 不够灵活

    • 三级IP

      • 网络号+子网号+主机号

      • 特点

        • 灵活
        • 同级别网络看仍是一个网络
        • 充分利用IP地址
        • 相对于传统IP，可利用的IP地址总数减少

    • 区别，三级IP允许使用人员自己进行在划分，在网络内部形成子网

  • 子网掩码

    • 主要解决到达传统两级IP地址后，数据转发进一步选择路由(子网内)的问题，区分子网号和主机号

    • 补充

      • 该类网络中全零或全一的地址不能使用(传统IP，子网地址，主机号)

  • 使用子网的分组转发

    • 同传统转发，每个路由器中都需要使用子网掩码

• 构成超网(无分类编址CDIR)

  • 网络前缀

    • 同一子网中使用不同长度的子网掩码

  • 特点

    • 消除了传统IP中A,B,C类地址以及子网的划分
    • 使用斜线记法—IP后跟子网掩码的位数

  • 充分利用子网掩码的优势，进一步利用本就有限的IP地址数，使用子网掩码完成区分网络号和主机号的任务，

  • IP后方需要注明网络号位数(子网掩码中1的个数)

  • 该方式中可以使用全零或全一的I地址(但不推荐使用)

• 最长前缀匹配

  • 当路由表中的多个地址与目的地址匹配时，路由会选择网络号最长的那个转发数据(最难被匹配到的地址)

• 二叉线索查找路由

  • 解决需要查找表中所有项后才能确定最长前缀匹配的结果
  • 当查找进行到’树最深处时’，代表查找结束，找到结果

网际控制报文协议(ICMP)

• 处于IP数据报中的数据部分

• 更高效的转发IP数据报，并提高交付成功的机会

• 格式

  • 类型

    • 区分种类

  • 代码

    • 进一步区分不同类型的不同情况

  • 检验和

    • 检验数据是否出错

• 种类划分(通过类型值区分)

  • ICMP差错报告报文

    • 3：终点不可达

    • 11：超时

    • 12:参数问题

      • 数据报首部参数出错

    • 5：改变路由

      • 通知发送路由选择更好的路由路径

  • ICMP询问报文

    • 8/0：回送请求或回答

      • 测试目的站是否可达

    • 13/14：时间戳请求或回答

      • 用于时钟同步

互联网的路由选择协议

• 理想算法

  • 算法正确且完整

    • 分组一定能够到达可达的目的地址

  • 算法计算简单

    • 减轻路由负担

  • 算法可适应通信量和网络拓扑变化

    • 分组可以根据网络状况不优劣，实时选择’最优’路径

    • 补充

      • 静态路由选择策略

        • 未实现该点要求，一般适用于网络结构简单的小型网络

      • 动态路由选择策略

        • 实现要求，但实现复杂，开销较大，一般用于较复杂的大型网络

  • 算法具有稳定性

    • 算法应收敛与特定的解，变化不能过于频繁

  • 算法公平

    • 所有用户公平对待

  • 算法最佳

    • 找到最佳传递数据的路径

• 分层次路由选择协议

  • 自治系统

    • 在外部看来是一个整体，内部有着自己的网络结构

  • 内部网关协议(IGP)

    • 自治系统内部使用

    • 域内路由选择

    • RIP

      • 基于距离向量的选择协议

      • 特点

        • 路由器仅和相邻的路由交换信息(路由表中的所有内容)
        • 好消息传递的快，坏消息传递的慢
        • 规模有限，只适用于的自治系统
        • 固定时间间隔交换路由信息

      • 实现

        • 路由表更新

          • 当交换信息中存在更优路径时发生替换
          • 交换信息中对存在对目的网络距离的更新时发生修改
          • 当交换信息中存在新目的网络时执行添加

      • 报文格式

    • OSPF

      • 开放最短路径优先

      • 使用链路状态协议

      • 特点

        • 每一个路由器都会建立一个链路状态数据库，且自治系统内一致

        • 使用洪泛法传递路由消息(只有路由状态改变时使用洪泛法)

          • 补充

            • 洪泛法
            • 路由器通过所有的输出端口向所有相邻路由发送消息

        • 可以度量相邻路由器间传递数据的代价

        • 可以对自治系统再划分，形成区域

          • 目的

            • 减小自治系统内的通信量

          • 格式

            • 主干区域

              • 用于联通其他区域
              • 和’外界’通信

            • 区域

              • 存在区域边界路由器，用于和区域外通信

      • 报文格式

  • 外部网关协议(EGP)

    • 域间路由选择

    • 用于实现连接复杂的，结点众多的网络

    • BGP

      • 每一个自治系统内都要至少有一个’发言人’,用于和相邻的其它系统’发言人’进行相关信息(路由信息)交换

      • 自治系统间连接而成的图形不存环路(防止信息再网络中’绕圈’)

      • 四种报文形式

        • open报文

          • 建立连接

        • update报文

          • 更新路由信息

        • keepalive报文

          • 周期性保证连接可用

        • notification报文

          • 发送检测到的错误

      • 报文格式

        ---

路由器构成

• 一种专用计算机

• 用于转发分组

• 路由器结构

  • 构成

    • 路由选择

    • 分组转发

      • 输入端口

      • 输出端口

      • 交换结构

        • 根据路由选择结果对分组进行处理

运输层

主机间端到端的通信(主机端口间进行通信)

• 复用

  • 主机上不同的应用进程可以使用同一种协议进行通信
  • 主机上所有的应用程序需要发送的信息都通过运输层分装，然后交给网络层处理

• 分用

  • 复用的反过程(即把网络层传递的数据(UDP/TCP)正确交付给上层应用程序(一个IP数据报所包裹的传输层数据可能包含多个进程所需要的信息))

补充

• 运输层端口

  • 1~1023

    • 服务器使用的端口号

      • 系统端口号，其以固定分配给特定的应用程序

  • 1024~49151

    • 登记端口号

      • 需要按照规定在IANA登记

  • 49152~65535

    • 客户端使用端口号

      • 短暂端口号，用户可自行分配

UDP(用户数据报协议)

• UDP用户数据报

• 特点

  • 不需要实现建立连接

  • 尽最大努力交付

  • 面向报文

    • 其对应用层下来的数据不进行处理，同时当接收到的网络层数据’拆包’后直接上传

  • 没有拥塞控制

  • UDP支持一对一，一对多，多对一，多对多的交互式通信

  • UDP首部开销小

• UDP首部格式

TCP(传输控制协议)

• TCP报文段

• 提供可靠传输

• TCP概述

  • 特点

    • 字节为单位传输

    • 面向连接的运输层协议

    • 每条TCP连接只能拥有两个端点

    • TCP提供可靠交付服务

      • 通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，并且按序到达

    • TCP使用双工通信

    • 面向字节流

      • TCP将应用层传下来的数据全都当作字节(8bit一字节)看待
      • TCP将从应用层得到的’字节’按照相关规定统一打包发送

  • TCP连接

    • TCP连接两端的端口称为套接字

      • 套接字’socket’

        • IP地址：端口号

• TCP报文首部

• 可靠传输(ARQ)

  • 理想传输

    • 传输信道不出错
    • 无论发送方一怎样的速度发送数据，接收方都可以处理

  • 停止等待协议

    • 发送方每发送一个分组便停止，等待接收方的确认，只有接收方确认后才发送下一个分组

    • 超时重传

      • 当发送放在规定时间内没有收到接收方的确认后，便重新发送该分组并等待回复

    • 补充

      • 发送方发送分组后，必须保留已发送分组的副本，以备重传使用，直至收到确认，方可清除缓存
      • 分组编号
      • 重传时间应大于电路间的往返时间(RTT)

    • 确认丢失

      • 接收方发送的确认信号丢失

        • 发送方重新发送，接收方接收后重新发送确认信息

    • 确认超时

      • 发送方在重传相关分组后收到分组第一次发送所对应的确认信息，之后发送方在接收到分组的第二次确认信息时不作为

    • 信道利用率

      • TD

        • 数据发送时延

      • RTT

        • 往返时间

      • TA

        • 发送方处理确认分组的时间

      • 利用率

        • TD/(TD+RTT+TA)

• TCP可靠传输实现(相关定义不考虑SACK的情况)

  • 连续ARQ协议

    • 发送方

      • 发送窗口

        • 发送窗口内的所有数据均可发送

      • 接收窗口

        • ???在接收窗口没收到发送窗口’下限’字节编号之前，不允许发送窗口后移???
        • 接收窗口将收到的字节最大编号作为窗口的’下限’，将接收窗口前移

    • 接收方

      • 发送窗口

        • 在接收到字节数据后，给发送方发送字节确认信息

      • 接收窗口

        • 接收发送方发送的数据，在未收到窗口’下限’字节数据前，不允许窗口向后滑动

    • 窗口(补充)

      • 暂不考虑发送方接收窗口和接收方发送窗口的相关情况

      • 发送窗口的收缩

        • 不建议，收缩后可能导致已经发送的信息(存在可能该信息已经在窗口收缩前就被发送)会出错

      • 双方接收窗口的大小不仅受接收方窗口剩余容量大小的影响，同时受当时网络状况的影响

    • 相关

      • 发送方

        • 发送窗口

          • 发送窗口根据收到的接收窗口剩余容量安排下一次发送字节的个数
          • 根据接收到的字节确认号调整发送窗口的移动

        • 接收窗口

          ---

      • 接收方

        • 发送窗口

          • 会将接收窗口剩余容量发送给发送方，以防止不必要的网络资源浪费

            • 接收方的接收窗口满(接收方来不及处理接收窗口内的数据)，致使发送方发送的过量数据被丢弃

        • 接收窗口

          ---

      • 缓存

        • 发送缓存

          • 从发送方发送窗口的’下限’到刚接收到的相关应用需要发送的数据
          • 包括新数据，和窗口内全部数据(已发送但未收到确认号的数据(仅限于SACK的情况))

        • 接收缓存

          • 从接收窗口的已经接收到的字节开始，到接收窗口的’上限’结束
          • 存放所有本次连接已经接收到的数据以及接收窗口相关数据

        • 相关缓存包括了所有与连接相关的数据范围

    • 超时重传

      • 当接收方在一定时间内没有收到接收方的字节确认信息后，便默认为接收方未收到相关数据，便重新发送

      • RTT

        • 报文往返时间

          • 新旧RTT值的加权平均

      • 当一个字节数据存在多个确认信号(发送方未及时接收到数据第一次的确认信号(存在并阻塞在网络中)，便发送重新发送相关数据，产生两个确认信号)时，会进行相关处理或直接丢弃该字节的RTT值

      • 相关算法

        • 没收到一次重复确认信息，便增加RTO(超时重传时间(发送方等待确认信息的时间，到达后会重新发送相关数据))的时长，直至重复确认信息不在产为止

    • SACK(选择确认)(与TCP中的按序到达要求不符，暂时不列入标准情况)

      • 用于解决TCP接收方缓存池中接收数据不连续的问题(将数据的不连续性(详细信息)通知发送方)
      • 在TCP可选首部中声明使用该协议(连接建立时声明，占用一个字节),指明该选项占用多少个字节，其余每4字节声明一个边界，即8字节声明一个不连续数据段

• TCP流量控制

  • 为了防止接收方因发送发送数据发送太快，导致引起因接受方窗口满而产生的数据丢弃(也是拥塞的一种形式，主要体现在点对点的通信内)

  • 接收方会给发送方发送目前接收窗口剩余容量，引导发送方发送数据，当窗口(接收方接收窗口)值变化时,会给发送方发送窗口更新数据，窗口之为0时，接受方不发送数据，等待接收方发送窗口更新数据

  • TCP传输效率

    • 1

      • 当缓存窗口中需要发送的数据到达MSS(最大报文段长度)时，统一发送

    • 2

      • 存在紧急数据

    • 3

      • 发送计时机制

        • 按照一定时间间隔发送数据

  • 糊涂窗口

    • 接收窗口一旦窗口空余，立即给发送方发送窗口更新

    • 缺点

      • 当接收窗口每次只空出一个字节容量时发送窗口更新，消耗网络资源

    • 改善

      • 使接收窗口空余容量到达一定的空间时，再发送窗口更新

• TCP拥塞控制

  • 拥塞

    • 网络资源小于对资源的需求量

    • 产生原因

      • 网络状况不佳
      • 接收方窗口容量不足

  • 防止过多的数据注入到网络中，控制网络负荷

  • 无拥塞控制的网络会随着网络负载和吞吐量的增加而产生死锁

  • 理想状态拥塞控制

    • 在吞吐量未达到饱和之前，其等于网络所提供的负载

  • 拥塞控制(获取拥塞窗口值(接收方接收窗口容量))

    • 慢启动

      • 发送窗口在每次成功发送(接收到对应的确认信息)后,其容量会增加一倍,当数据超时时，将窗口值置为初始值，并重新发送超时数据，以此往复

      • 拥塞避免

        • 阈值

          • 当最大数据长度达到阈值后，数据长度便会停止指数增长，转为线性增长

          • 快恢复

            • 当数据超时后，其再次发送的数据长度为阈值的一半，之后窗口大小线性增长

        • 当超时后，阈值转为超时状态值的一半，发送数据长度为初始值

      • 补充

        • 当收到ICMP抑制分组，则当作超时处理

    • 快重传

      • 当接收方中接收到比窗口’下限’高的字节编号时，接收者将更具特定字节个数发送窗口’下限’所在(字节编号 - 1)的请求信息(即重复确认窗口’下限’ (字节编码- 1)的确认信息)

  • 主动管理队列(AQM)

    • 避免因路由器的尾部丢弃策略(路由器中分组队列满后，处理(不能继续排队则丢弃)后进来的分组)引起的多条TCP连接同时进入慢开始状态，之后又同时进入增加数据传输(该现象成为全局同步)

    • 实现

      • 主要功能

        • 在路由器中的排队的分组数到达一个特定值时，将主动丢弃到来分组，以此’刺激’发送方减缓数据的发送

      • 方式

        • 随即早期检测RED

          • 路由器会概率丢弃在最大门限和最小门限之间到达的分组

• TCP运输连接管理

  • TCP连接三阶段

    • 连接建立
    • 数据传送
    • 连接释放

  • 运输管理为调节连接建立和连接释放两个阶段的进行

  • 连接建立

    • 三次’握手’

      • 1：发送方发送连接请求

        • SYN = 1 ,seq = x

      • 2：服务器回应请求

        • SYN = 1,ACK = 1,seq = y,ack = x + 1

      • 3：发送方再次确认

        • ACK = 1,seq = x + 1,ack = y + 1

    • 握手分析

      • 步骤一：发送方发送请求，SYN = 用于同步，seq = x对应于发送方给发送数据时数据的序号，
      • 步骤二：SYN用于同步，此时两主机已同步，ACK = 1表示两主机间连接已建立，seq = y 对应于主机二发送给主机一数据的字节序号，ack = x + 1为主机二发送给主机一的确认信号(对与连接请求的确认)，此时主机二~主机一的单向连接已经建立，但主机一还未知该连接的建立
      • 步骤三：ACK = 1表示连接(主机一~主机二)已建立，sep = x + 1为主机二在步骤二中请求的数据字节序号，ack = y + 1表示向主机二请求序号为y + 1的字节数据

  • 连接释放(全双工连接的释放)

    • 释放连接请求方

      • 发送DR(FIN = 1,seq = u),接收方收到后发送确认信息(ACK =1,seq = v,ack = u + 1)
      • 被释放连接方发送最后的相关数据后发送释放确认(FIN=1,ACK=1,seq = w,ack = u + 1),请求方收到后回应(ACK = 1,seq = u + 1,ack = w +1)，被释放连接主机收到该信息后释放连接，而释放连接方等待后释放连接

    • 被请求释放连接方

      • 在接收到请求方发送的连接释放请求报文后，并在将发送缓存中的数据发送完毕后，发送连接释放请求信号，之后关闭发送缓存
      • 在收到A的确认连接释放信号后，关闭接收缓存

    • 个人理解

      • 连接释放请求方(A)请求释放连接(发送Fin1的报文(同时记录该报文的序号(seq)和确认号(ack)))后，被释放方(B)接收到后，将自己的发送缓存中数据全部发送后，发送释放连接报文(Fin1(同时记录seq和ack)),此时B的发送缓存区关闭，A接收到B的释放连接报文(Fin1)后，关闭自己的接收缓存区(此发送B的释放连接确认报文(ACK1,同时记录报文序号))，此时关闭己方(A)的接收缓存区，同时将遗留在发送缓存中的，用于确认B发送的释放连接报文收到的最后一个报文发送,此时A的发送缓存彻底关闭，接收缓存继续保留一段时间(用于接收错序到达的报文)，自会后关闭(此时该连接中的A端点的发送，接收缓存皆已关闭)，B在接收到A最后的确认报文后，其接收缓存关闭(此时该连接的B端发送，接收缓存皆已关闭)，

      • 注

        • 无论是释放请求方还是被请求方，其皆有发送缓存和接收缓存两块缓存区域需要关闭

    • TCP连接释放时采用四次’握手’(即双方都请求断开连接且收到对方回应后连接才断开)

  • TCP的有限状态机

    ---

应用层

网络安全

计算机网络概述

21世纪是以网络为核心的信息时代

• 数字化
• 网络化
• 信息化

三类网络

• 电信网络

  • 提供电信，电报，传真等服务

• 有线电视网络

  • 提供电视节目信息

• 计算机网络

  • 在计算机之间传递数据文件

Internet

• 因特网

• 互联网

• 网络的网络

  • 网络把许多计算机连接在一起，而互联网是把许多个网络通过路由器连接在一起，与网络相连接的计算机成为主机

• 由数量极大的各种计算机网络互连而成

• 覆盖全球

• 连通性

  • 好像每个计算机都直接相连在一起

• 共享

  • 资源共享

• 互联网+

• 计算机网络组成

  • 计算机网络由若干结点和连接结点的链路组成

  • 节点

    • 可以是计算机，集线器，交换机，路由器等

• 发展

  • 阶段一

    • 单个网络ARPANET向互连网发展

    • 1969年

    • 1983年，TCP/IP成为ARPANET上的标准协议

    • 1990年，ARPANET关闭

    • internet

      • 泛指由多个计算机网络互连而成的网络

    • Internet

      • 指当前全球最大的，开放的，由众多互相连接而成的特定互连网，采用TCP/IP协议作为通信规则，前身为美国的ARPANET

  • 阶段二

    • 三级结构的互连网

    • 1985年起，美国国家科学基金会(NSF)围绕六个大型计算机建造计算机网络(NSFNET)

    • NSFNET组成

      • 主干网
      • 地区网
      • 校园网(企业网)

  • 阶段三

    • 多层次的ISP结构的互连网

    • ISP：互联网服务提供商

      • 移动
      • 联通
      • 电信

    • ISP

      • 其可以从互连网管理机构申请IP地址，同时需要拥有通信线路以及路由器等设备

    • IXP

      • 互联网交换点
      • 允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要通过其他路由转发分组
      • 由一个或多个网络交换机组成
      • 主干ISP4.xmind

    • www(万维网)

      • 欧洲原子核组织CERN开发
      • 广泛使用，促进互连网增长，
      • 方便广大非网络专业人员对网络的使用

• 互连网的标准化工作

  • 互连网协会(ISOC)

    • 互连网体系结构委员会(IAB)(隶属于IAB)

      • 互联网工程部(IETF)

        • 由许多工作组组成的论坛
        • 由互联网工程指导小组(IESG)管理
        • 被划分若干领域，每个领域研究某一特定的短期或中期的工程问题
        • 针对协议的开发和标准化

      • 互联网研究部(IRTF)

        • IRTF由研究组(RG)组成的论坛
        • 由互连网研究指导小组(IRSG)管理
        • 研究长期问题，包括互连网的协议，应用，体系结构等

  • 互连网正式标准形成经过

    • 互联网草案

      • 6个月有效期

    • 建议标准

      • 此阶段可称为RFC文档

    • 互联网标准

      • 分配编号(STDxx)

    • RFC

      • 互连网标准发表形式，
      • Request For Comments

• 互连网的组成

  • 边缘部分

    • 所有连接在互联网上的主机(端系统)，部分为用户直接使用，用于通信，资源共享

    • 主机

      • 又称端系统，所有连接到互联网上的设备都可以称之为主机
      • 主机间进程的通信可称为"计算机之间通信"

    • 客户-服务器方式

      • 客户机是服务请求方，服务器是服务提供方

      • 客户程序

        • 程序运行后，主动向服务器端发送请求
        • 无需特殊硬件和复杂的操作系统

      • 服务器程序

        • 专门提供服务的程序，可同时处理多个远地或本地的请求
        • 启动后一直运行，被动接受各种请求
        • 需要强大硬件和高级操作系统支持服务器正常运行

      • 双方通信建立后，都可以向对方发送和接受数据，

      • 都是计算机中的进程

      • 客户(client)-服务器(server)

    • 对等连接方式

      • P2P
      • 通信双方不区分客户机和服务器，双方运行对等程序后，便可进行平等通信
      • 本质上，仍然是客户-服务器方式

  • 核心部分

    • 由大量网络和连接这些网络的路由器组成

    • 为边缘部分提供服务

    • 路由器

      • 专用计算机
      • 实现分组交换的关构件
      • 转发收到的分组(分组交换?)

    • 交换

      • 按照某种方式动态地分配传输线路资源

      • 电路交换

        • 必会经历"建立连接->通话->释放连接"，通话过程中，两个用户始终专用端到端的通信资源

        • 缺点

          • 线路的传输效率低
          • 对方必须应答才能建立连接
          • 当电信网资源不足以支持此次通话时，必须等待

        • 优点

          • 通信建立后稳定，不会受网络状况的干扰
          • 传输大量数据时，速度会优于其他交换方式

      • 报文交换

        • 直接将所要传输的数据整体打包发送，通过结点时，查询转发表转发，直至接收方接收

        • 缺点

          • 灵活性弱
          • 需要中间结点拥有大量内存，对结点有更高的要求
          • 时延大

        • 优点

          • 相对分组交换，在发送端，省去了数据分组的过程，同时省去了接收端分组组合的过程和分组排序的过程，同时也没有了每个分组所附加格外信息所造成的开销
          • 相对电路交换，没有了建立连接的过程，同时也提高了线路的资源利用率

      • 分组交换

        • 将需要发送的数据分割成特定长度的小块，在每个小块上添加上控制信息(打包),之后每个小块自行寻找最佳"道路"到达接收端，接收端处理后组装

        • 缺点

          • 增大开销，每个分组都会增加相对应的控制信息，增加需要传递的数据量
          • 传输大量数据时，效率(可能)不比电路交换
          • 在两段增加了数据分组和数据组合的步骤，增大了客户端的开销

        • 优点

          • 高效：动态分配线路和传输带宽
          • 灵活：每个分组都会自主选择最优的转发路线
          • 迅速：一般情况下，传输速率远高于另外两种交换方式
          • 可靠：保证可靠的网络协议

• 计算机在我国的发展

  • 1989年11月，第一个共用分组交换网(CNPAC)建成运行

  • 2004年2月，第一个下一代互联网(CNGI)的主干网(CERNET2)试验网正式开通

  • 规模最大的五大网

    • 中国电信互联网
    • 中国联通互联网
    • 中国移动互联网
    • 中国教育和科研计算机网
    • 中国科学技术网

• 计算机网络的类别

  • 分类标准

    • 作用范围

      • 广域网

        • 几十到几千公里

      • 城域网

        • 一般为一座城市

      • 局域网

        • 地理上局限在一个·较小的范围

      • 个人区域网

        • 个人工作区域使用的电子设备用无线技术连接起来的网络

      • 补充

        • 若中央处理机之间距离非常近，则一般称为多处理机系统，不称为计算机网络

    • 使用者

      • 公用网

        • 按照通信公司标准缴费就可以使用的网络

      • 专用网

        • 专为某个部门建立的网络

    • 接入网

      • 宽带技术

        • 既不属于互联网核心，又不属于互联网边缘，其扮演这用户和互联网建立连接的"桥梁"

• 计算机网络的性能

  • 速率

    • 比特率

  • 带宽

    • 计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，其表示单位时间内网络中某信道所能通过的"最高数据率"

  • 吞吐量

    • 单位时间内通过某个网络的实际数据量

  • 时延

    • 数据从网络的一段发送到另一端所需要的时间

    • 发送时延(传输时延)

      • 主机或者路由器发送数据帧所需要的时间

      • 数据帧的第一个比特发送开始，到最后一个比特发送出去结束

      • 计算

        • 数据帧长度/发送速率

    • 传播时延

      • 电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间

      • 计算

        • 信道长度/电磁波在信道中的传播速率

    • 处理时延

      • 主机或者路由器在接收到数据对其进行处理所需要的时间

    • 排队时延

      • 网络传输中，分组进入路由器后需要排队等候处理，确定转发接口后还需要在输出队列中排队等候

    • 减小时延

      • 发送，处理，排队

        • 提高主机和路由性能

      • 传播

        • 使用其他高速传播介质，以提高传播速度

      • 对于高速网络，我们只能提高数据的发送速率，减小发送时延

  • 时延带宽积

    • 计算

      • 传播时延 * 带宽

    • 若发送方保持管道满负载，在第一个bit到达接收方之前，发送方能够发送的bit数(即传输链路中所能滞留的最大数据量)。

    • 解释

  • 往返时间

    • A向B发送完数据后，B向A发送确认所需要的时间

  • 利用率

    • 信道利用率

      • 某信道有数据通过时间的占比

    • 网络利用率

      • 全网络信道的加权平均值

    • 信道利用率并非越高越好，

      • D = D1/（1 - U）

        • 网络时延与信道利用率成反比

      • D:当前网络时延

      • D1：网络空闲时时延

      • U：信道利用率

    • 一般情况，ISP会控制信道利用率在50%以下

• 计算机网络的非性能特征

  • 费用
  • 质量
  • 标准化
  • 可靠性
  • 可扩展性
  • 可升级性
  • 易于管理和维护

• 计算机网络体系结构

  • 分层

    • 早在ARPANET设计时，便提出了分层

    • 可将复杂问题分成若干简单问题，实现简化

    • 1974年，美国公司IBM宣布了系统网络体系结构(SNA)

    • OSI/RM(OSI)

      • 法律上的标准

      • 20世纪90年代初期，整套OSI标准出现

      • 七层协议

        • 应用层
        • 表示层
        • 会话层
        • 运输层
        • 网络层
        • 数据链路层
        • 物理层

      • 失败原因

        • 基于TCP/IP的互联网已在全球大范围使用运行
        • 几乎没有厂家生产出符合OSI标准的商用商品
        • OSI专家缺乏实际经验，OSI缺乏商业驱动力
        • 协议实现复杂，运行效率低
        • 标准制定周期时间长，无法及时投入市场
        • 层次划分不合理

      • ？？？该模型将对等层传送的数据单位称为该层的协议数据单元？？？

    • TCP/IP

      • 四层协议

        • 应用层
        • 运输层
        • 网际层
        • 网络接口层

      • 事实上的标准

      • 表示的是TCP/IP协议族

      • TCP/IP体系结构

        • 路由器在转发时最高只用到网络层
        • 某些应用可以直接应用网络(IP)层和网络接口层

  • 协议的划分与分层

    • 协议明确了所交换数据的格式以及有关同步问题

    • 协议三要素

      • 语法

        • 数据与控制信息的结构或格式(对标英语语法)

      • 语义

        • 发送数据所蕴含的信息(对标英语语义)

      • 同步

        • 实现顺序的详细说明

    • 本机操作不需要网络协议的支持

    • 分层的优点

      • 各层独立

        • 只需要负责完成自己的工作即可

      • 灵活

        • 层内变化不会影响其他层的正常运行

      • 结构可分割开

      • 易于实现和维护

      • 能促进标准化工作

        • 每一层功能明确

    • 计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构

  • 五层协议

    • 应用层

      • 通过应用进程间的交互来完成特定网络应用

      • 传输数据：报文

      • 支持协议

        • DNS
        • HTTP
        • SMTP(电子邮件)

    • 运输层(传输层)

      • 两台主机间进程之间的通信提供通用的数据传输服务

      • 协议

        • TCP

          • 面向连接的，可靠的数据传输服务
          • 传输数据：报文段

        • UDP

          • 提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务
          • 传输数据：用户数据报

    • 网络层

      • 任务

        • 为分组交换网上不同的主机提供通信服务
        • 选择合适的路由，负责将报文传递到目的主机

      • 在TCP/IP体系中共，网络层使用IP协议

      • 传输数据：IP数据报

      • 互联网中大量的异构网络通过路由连接在一起

    • 数据链路层

      • 将网络层下来的IP数据报组装成帧

      • 传输数据

        • 帧

          • 包含数据和控制信息

    • 物理层

      • 传输数据：比特
      • 管理物理设施的规格统一

  • 实体，协议，服务，服务访问点

    • 实体

      • 任何可以发送或接受信息的软件或硬件

    • 协议

      • 控制两个或多个对等实体间通信规则的集合
      • 必须把所有不利条件事先估计到，并且制定应付方案

    • 服务

      • 上下层之间进行数据传递时使用的规则

    • 服务访问点

      • 相邻两层的实体进行交互的地方

    • 服务是解决主机内层间的交互问题，协议是规定不同主机对应层之间的数据交互